Covid-19-pandemin har gjort det särskilt utmanande för havsforskare att göra observationer och utföra experiment till havs. Forskningskryssningar har dragits ned eller ställts in eftersom det är svårt att hålla ett säkert avstånd mellan forskare och besättning i de trånga utrymmena på ett forskningsfartyg. I denna nuvarande situation, MBARI:s robotfordon och instrument har visat sig vara mycket användbara.

Ett exempel är MBARI:s sommar 2020 Controlled, Vig, och Novel Ocean Network (CANON) experiment, som pågår från 14 juli till 4 augusti. Forskningsassistent Katie Pitz, som var med och planerade operationen, förklarade, "För årets experiment, själva provtagningen görs av autonoma instrument och fordon som kan fjärrövervakas av forskare på land. MBARI har utvecklat autonoma teknologier under lång tid, så det här är ett bra exempel på hur vi kan tillämpa dessa teknologier."

MBARI:s årliga CANON-experiment sysselsätter vanligtvis ett stort antal fartyg, robotar, och instrument som är utplacerade mer eller mindre samtidigt på Monterey Bay för att samla in data relaterade till en specifik fysisk och biologisk process i viken. CANON-experiment är också möjligheter för forskare att testa nya, banbrytande teknologier.

Årets CANON-experiment är utformat för att studera stora grupper av ansjovis och andra djur i och runt Monterey Canyon. För att ta reda på var och när dessa djur samlas i kanjonen, forskare från MBARI och National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) kombinerar två mycket olika teknologier – högupplösta ekolod och miljö-DNA (eDNA).

Vetenskapliga ekolod använder ljudvågor för att skapa bilder av lager av djur på olika djup och, i vissa fall, till och med tillåta forskare att identifiera dessa djur. Med eDNA-analys, Biologer kan avgöra vilka typer av organismer som finns i en del av havet helt enkelt genom att samla ett prov av havsvatten och extrahera DNA från det havsvattnet. DNA-sekvenser från havsvattnet jämförs sedan med kända DNA-sekvenser för en mängd olika organismer.

"Den här tekniken är analog med en kriminalteknisk utredare som hittar DNA på en brottsplats och jämför det med banken av misstänkta i FBI:s genetiska arkiv, sa Francisco Chavez, ledande forskare på CANON-experimenten. "Våra misstänkta, " han fortsatte, "är livet i havet."

Som Pitz noterade, NOAA är mycket intresserad av att utforska detta nya tillvägagångssätt. "Mikrobiolog Kelly Goodwin vid NOAA ordnade finansieringen för MBARI för att samla in eDNA-prover och jämföra resultaten med ekolodsobservationer. Ursprungligen skulle vi ha ett NOAA-fartyg som en del av experimentet, men på grund av pandemin, fartyget kunde inte vara här."

"Denna forskning gäller direkt för NOAA:s studier av fiskbestånd, ", förklarade Pitz. "De använder ekolod på fartyg för att kartlägga fördelningen av fiskar och nät för att verifiera vilka fiskar som finns. Under CANON, vi gör samma sak, förutom att vi använder ekolod monterade på robotar vid ytan och samlar in eDNA med hjälp av undervattensrobotar."

Ytrobotarna som används i CANON-experimentet kallas "Wave Gliders, " och ser ut som fyrkantiga surfbrädor. Under hela experimentet, en Wave Glider färdas en zig-zag-bana över den inre delen av Monterey Canyon, där ansjovisskolor ofta finns. När Wave Glider rör sig över ytan, dess ekolod tar bilder av ansjovisstim och andra djur i vattnet nedanför.

Efter Wave Glider på dess sick-zag-bana följer en undervattensrobot som kallas ett autonomt undervattensfordon med lång räckvidd (LRAUV), som samlar in vattenprover för eDNA-analys. Under det två veckor långa experimentet, LRAUV kommer att samla upp till 60 vattenprover med hjälp av en MBARI-designad robotprovtagningsenhet som kallas en Environmental Sample Processor (ESP). "This is one of the first times we have used the LRAUV to collect samples underwater at the same locations the acoustic Wave Glider is visiting at the surface, " said Pitz.

Though robots are doing most of the sample and data collection, over two dozen humans are also involved in this experiment. All of these scientists, engineers, and marine operations staff are needed to launch, recover, and maintain the robots, and to process and analyze the samples and data.

At the end of the experiment, after all the robots return to shore, CANON scientists and engineers will begin processing hundreds of samples for eDNA analysis. "During my first CANON experiment in Spring 2017, we collected only four eDNA samples autonomously, " said Pitz. "Now, with multiple ESPs, we have a huge increase in the number of samples we can collect and will need to process."

"It's a lot of work, " she added. "But having more samples is great for the science. And the samples can be stored in a freezer and preserved for years. Analytical methods for eDNA are improving rapidly, so it's nice to preserve some samples for later analysis in case a better technique comes along."

• 
• 

"Speaking of cutting edge technologies, " Pitz said, "Another cool aspect of this experiment is that MBARI scientists Nathan Truelove and Charles Nye are using a desktop sequencer to sequence eDNA from water samples in near real-time—within a day or so."

"Benchtop sequencing has a higher error rate in reading the DNA than next-generation methods that involve large sequencing machines, " she explained. "So the data processing is a lot more challenging. But being able to sequence DNA in a day would be great compared to shipping samples out to a lab, which can take several weeks. Så småningom, we hope to be able to host this tiny sequencer on our LRAUV."

Although MBARI engineers have had great success building robots that communicate effectively with one another, Pitz noted that one of the biggest challenges in this experiment is keeping lines of communication open among the humans involved. "We need to decide the best times and places to collect samples while making sure the LRAUV doesn't burn out its battery or hit the bottom. This requires lots of communicating between the scientists, engineers, and marine operations staff. As a scientist at MBARI, one of the things I've learned is that, in order to get good scientific data, you need to work closely with the engineers to understand and adapt to the limitations of the equipment."

The Summer 2020 CANON experiment is a prime example of how researchers can collect vast amounts of useful data by sending robots instead of people out to sea. "This mode of operation will increase dramatically in the future, " said Chavez. "Not only because of COVID but because of the need for persistent and globally distributed observations of life in the sea."